深入剖析功率器件封裝失效分析及工藝優(yōu)化

【摘 要】 伴隨功率金氧半場(chǎng)效晶體管（mosfet）電流和工作電壓的大幅度增加，以及芯片尺寸的逐漸減小，從而導(dǎo)致器件芯片內(nèi)部電場(chǎng)也相應(yīng)增大。這些現(xiàn)象都嚴(yán)重影響功率M0SFET的可靠性，怎樣提升功率器件的可靠性備受業(yè)界的期待。而其中關(guān)鍵的影響因素是功效器件封裝失效的問(wèn)題。本文介紹功率器件封裝的內(nèi)涵和分類，通過(guò)對(duì)失效機(jī)理的分析，提出功率器件封裝工藝優(yōu)化的路徑。

封裝工藝是為了提升電子設(shè)備運(yùn)行的可靠性，采取的相應(yīng)保護(hù)措施，即針對(duì)可能發(fā)生的力學(xué)、化學(xué)或者環(huán)境等不確定因素的攻擊，利用封裝技術(shù)和特殊材料對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。封裝技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天設(shè)備、汽車、計(jì)算機(jī)以及移動(dòng)通信設(shè)備等諸多領(lǐng)域中。

但伴隨著超低壓、超高壓、強(qiáng)濕熱、大溫差等特殊條件下電子設(shè)備運(yùn)行要求的增加，加之封裝器件日趨大功率應(yīng)用、小尺寸化、功能高集成化以及越發(fā)復(fù)雜化的因素，經(jīng)常發(fā)生因?yàn)榉庋b失效引起電子設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中故障問(wèn)題，嚴(yán)重影響了功率器件的可靠性。因此，封裝失效問(wèn)題以及如何對(duì)封裝工藝進(jìn)行優(yōu)化，是目前封裝行業(yè)需要研究的課題 ［1］ 。

1 功率器件封裝簡(jiǎn)介及分類

1.1 封裝簡(jiǎn)介在芯片的應(yīng)用過(guò)程中，封裝（Package）工藝是必不可少的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該工序就是為半導(dǎo)體集成電路芯安裝一個(gè)外殼，具備兩方面的功能，其一是穩(wěn)定、密封和保護(hù)芯片；其二是發(fā)揮芯片散熱的作用，其三是連接芯片內(nèi)部和外部的載體。

從作用機(jī)理來(lái)說(shuō)，通常包括連接電氣、物理保護(hù)以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格化。封裝質(zhì)量的好壞直接影響器件運(yùn)行效率的高低，尤其針對(duì)功率半導(dǎo)體器件，封裝還會(huì)起到兩方面特殊的作用：良好的封裝可以幫助器件散熱；針對(duì)較大的芯片，封裝可以產(chǎn)生封裝和焊接芯片過(guò)程中的應(yīng)力，避免芯片破碎。

1.2 封裝形式分類

1.2.1 塑封直列式封裝塑料封裝最大優(yōu)勢(shì)是適合大批量生產(chǎn)、工藝簡(jiǎn)單、成本較低，由此適應(yīng)性極強(qiáng)，應(yīng)用和發(fā)展的趨勢(shì)良好，在封裝行業(yè)的總體份額中占比越來(lái)越大，在全球集成電路的封裝市場(chǎng)上，95%以上為塑封直列式。消費(fèi)類電路合格器件的封裝幾乎都是該類型的封裝；

同時(shí)工業(yè)類電路中也占據(jù)很大的比例。該類封裝的形式也是最多的。最普遍使用的有兩種封裝形式：TO—220；TO—247。塑料封裝的電流傳送量很大。為了提升散熱效果，會(huì)將塑封器件緊貼線路板或者散熱器，實(shí)現(xiàn)最佳的散熱效果。

1.2.2 大功率器件應(yīng)用模塊隨著近些年日益普及的igbt，可以將單個(gè)igbt、兩個(gè)或者三個(gè)igbt，與控制電路放在一個(gè)模塊中實(shí)施封裝。而且正在出現(xiàn)的多模塊（mcm）形式，代表了封裝領(lǐng)域的新趨勢(shì)。

1.2.3 塑封表面貼裝及其他塑料封裝是一種對(duì)功率器件表面貼裝模式，這是80年代得到迅速發(fā)展的塑封形式。通常采用兩端和三端進(jìn)行分立器件的封裝。雖然單個(gè)分立器件不需要許多端子，但是端子的增加有利于電流的流動(dòng)和散熱。例如，t0263、t0262和其他形式的包裝類似于此特性 ［2］ 。

1.2.4 高可靠性封裝該封裝模式多半在軍工或航天領(lǐng)域應(yīng)用?；诳煽啃缘囊?，外殼利用金屬封裝。

2 功率器件的失效分析

2.1 焊料空洞導(dǎo)致EOS失效本文借鑒了相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，確定了影響器件散熱的因素為焊料的空洞，對(duì)不同尺寸空洞影響器件散熱的程度進(jìn)行深刻分析，并以此為基礎(chǔ)深入探討研究器件芯片可靠性受焊料空洞影響程度及其熱應(yīng)力的狀況。

目前廣泛應(yīng)用的環(huán)氧塑封料形式呈現(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)非常低，熱導(dǎo)體效果不佳，功率器件運(yùn)行中形成的熱量傳遞的途徑唯有芯片。如圖1所示，圖1中箭頭的方向就是芯片在工作狀態(tài)下產(chǎn)生熱的傳輸方向。從圖1中不難看出，如果焊料內(nèi)空洞形成的原因是器件生產(chǎn)過(guò)程中工藝不當(dāng)，基于空氣導(dǎo)熱系數(shù)只有0.03w/ （m.k），表現(xiàn)熱導(dǎo)體的不佳狀態(tài)，器件散熱受到影響，在這樣的狀態(tài)下長(zhǎng)久運(yùn)行，ESO會(huì)因?yàn)榇罅繜崃康姆e累而導(dǎo)致器件失效。

2.2 柵極開(kāi)路導(dǎo)致EOS失效場(chǎng)效應(yīng)晶體管（mosfet），是電壓管控的一種手段，在絕緣層的溝道區(qū)對(duì)柵壓實(shí)施有效的管控，而利用柵壓大小的改變對(duì)此區(qū)域的載流子濃度實(shí)施調(diào)控，從而確保源漏間電流大小的有效控制。因?yàn)榇蚓€不牢導(dǎo)致柵極引線升離或是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的熱循環(huán)讓引線跟部裂紋產(chǎn)生斷裂后，產(chǎn)生柵極開(kāi)路，從而失去柵極控制電流的能力，引發(fā)EOS，導(dǎo)致器件失效。

2.3 芯片裂紋導(dǎo)致EOS失效硬而脆的單晶硅晶體具備金剛石的品質(zhì)，一旦形成硅片受力容易脆斷與開(kāi)裂。在引線鍵合、晶圓減薄、芯片焊接、圓片劃片等工序中都可以形成硅芯片裂紋。

通常情況下，芯片只是在引線區(qū)域外的微裂紋，就難以被發(fā)現(xiàn)，最糟糕的情況是在工藝實(shí)施中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)芯片裂紋，更甚者是電學(xué)測(cè)試芯片的時(shí)候，微裂紋的芯片與沒(méi)有裂紋的芯片在電特反應(yīng)上不存在差別，但微裂紋會(huì)危及封裝后器件的可靠性、降低器件的使用年限。裂紋只有下列幾種情況才能顯示出來(lái)：采用十分靠譜的高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)或者是器件散熱時(shí)候瞬間加熱，呈現(xiàn)不匹配的芯片和封裝材料熱膨脹系數(shù)，還有運(yùn)行中的外界應(yīng)力作用等。否則是難以發(fā)現(xiàn)裂紋的，這也會(huì)成為器件封裝失效的原因。

3 功率器件封裝工藝優(yōu)化研究

3.1 問(wèn)題分析在功率器件封裝工藝中，最關(guān)鍵的工序就是芯片焊接 ［3］ 。焊接過(guò)程是利用熔融合金焊料將芯片與引線框架結(jié)合，使引線框架散熱器與芯片集熱器的歐姆接觸形成良好的散熱途徑。因?yàn)樾再|(zhì)不同的粘結(jié)劑和固體表面，以及化學(xué)、吸附、力學(xué)、靜電、配位鍵、擴(kuò)散等諸多因素，并不能對(duì)不同表面和粘結(jié)劑粘結(jié)的道理做出清楚解釋。

同時(shí)，氣體、油污、塵埃等污染物都會(huì)被固體表面所吸附，導(dǎo)致表面因?yàn)檠趸ざ圹E斑斑。

另外，基于加工精度的影響，因?yàn)榧庸ぞ炔粔颍腆w表面會(huì)存在宏觀和微觀的幾何形狀誤差，粘貼的界面只是中幾何面積的2％-7％，所以，嚴(yán)重降低了粘結(jié)劑對(duì)固體表面的保濕功能。

所以，針對(duì)器件封裝的芯片焊接工藝，焊料中的空洞成為最嚴(yán)重的問(wèn)題，不僅削弱了器件的散熱能力、阻礙了與歐姆接觸，更對(duì)功率器件的可靠性構(gòu)成威脅。

由于芯片必須先焊接在引線框架上，然后將芯片連接到框架上，最后實(shí)施高溫焊接，因?yàn)槠骷驼澈蟿╊愋偷牟町愋?，也?huì)呈現(xiàn)不同的焊接曲線和溫度。3.2 優(yōu)化措施確定在優(yōu)化電源裝置的焊接工藝之前，對(duì)該裝置進(jìn)行 x 射線掃描。結(jié)果表明，焊料空洞約占芯片面積的1%-7% 。

按照電源裝置的有關(guān)規(guī)定，焊料里的空洞大小不超過(guò)芯片面積的百分之十才可定性為合格產(chǎn)品?？墒窃诰唧w的運(yùn)行實(shí)踐顯示，就算低于10%的空洞面積的器件可靠性也難以保障。本文的試驗(yàn)利用對(duì)時(shí)間曲線、焊接溫度的優(yōu)化，以減少焊料的空洞，明顯提升了器件的可靠性、讓使用壽命得以有效延長(zhǎng)。

3.3 優(yōu)化效果對(duì)比分析在進(jìn)行芯片封裝工藝優(yōu)化之前，試驗(yàn)樣品選擇的片焊溫度-時(shí)間曲線溫度最高值358.9℃，熔融時(shí)間為37分鐘，焊接后降溫速率是9.71℃/秒；工藝實(shí)施優(yōu)化后，芯片焊接溫度-時(shí)間曲線的最高溫度為358.3℃，需要39分熔融時(shí)間，焊接后的降溫速率為8.95℃/秒。

提升相關(guān)工序的溫度，可以促進(jìn)芯片下悍膏的流動(dòng)性，加速悍膏內(nèi)空氣的排出；而對(duì)焊后降溫速率的降低，有助于對(duì)芯片的保護(hù)，最大限度避免芯片產(chǎn)生裂紋。針對(duì)優(yōu)化措施前、優(yōu)化措施后，隨機(jī)分別抽取5個(gè)樣品，利用Ｘ—Ray對(duì)焊料的空洞實(shí)施測(cè)量同時(shí)對(duì)兩者的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，在工藝優(yōu)化措施實(shí)施前焊料空洞量為1.4%-6.6%之間。

優(yōu)化前，芯片焊接空洞的孔隙率不同，部分孔隙率甚至達(dá)到10% 的最大范圍。而對(duì)芯片的焊接采用優(yōu)化措施后的焊接曲線，器件的焊料空洞已經(jīng)沒(méi)有，表現(xiàn)顯著的優(yōu)化效果。焊接溫度的提高會(huì)讓熱應(yīng)力加強(qiáng)，但優(yōu)化結(jié)果獲悉，焊料的空洞更能夠減少。

因?yàn)榭紤]到提升器件的可靠性，雖然極大的應(yīng)力會(huì)因?yàn)楹附訙囟壬叨哟?，但空洞減少的價(jià)值和意義更大。同時(shí)測(cè)試優(yōu)化前后的樣品采用Undamped Inductive Loading進(jìn)行測(cè)試，Uil 可以作為衡量設(shè)備阻力的參數(shù)。

測(cè)試原理如下： 將柵極電壓施加到器件上后，由外部電源對(duì)電感器進(jìn)行充電，直至電感器產(chǎn)生預(yù)期的電流測(cè)試值，從而完成電感器的充電過(guò)程; 電感器對(duì)器件進(jìn)行反向放電，完成電感器的放電過(guò)程。感應(yīng)器反向放電到設(shè)備，會(huì)導(dǎo)致器件的雪崩狀態(tài)，以此測(cè)試器件的抗EOS能力。

對(duì)優(yōu)化前后的兩組樣品，隨機(jī)抽取15個(gè)樣品進(jìn)行 uil 檢測(cè)，測(cè)試公式為：V DD =23V，V GS ＝10Ｖ，L＝0.3mH。同時(shí)，對(duì)物態(tài)方程的能量和電流進(jìn)行了比較和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，eos的能量為279.3mj，平均電流為41.8a，沒(méi)有焊接腔的 eos 的能量為307.6mj，平均電流為46.1a。

因此，無(wú)焊接腔器件必須具有較高的能量和電流才能導(dǎo)致 eos 失效，因此，沒(méi)有焊點(diǎn)的器件比有焊點(diǎn)的器件具有更高的抗失效能力。4 結(jié)束語(yǔ)盡管目前對(duì)封裝實(shí)效問(wèn)題的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)，也取得了一定成效。但對(duì)于封裝失效形成以及演化規(guī)律的研究才剛剛開(kāi)始，以往的多數(shù)研究主要是基于對(duì)封裝材料的研究，對(duì)金屬與聚合物界面的影響關(guān)注甚少。

所以，對(duì)封裝失效問(wèn)題的后續(xù)的深入研究，必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)鍵的補(bǔ)充，研究領(lǐng)域應(yīng)該注重封裝功率器件整體的關(guān)注，要以器件與封裝材料界面彼此作用前提下，綜合試驗(yàn)研究與仿真建模研究的實(shí)踐數(shù)據(jù)，對(duì)封裝失效過(guò)程的形成、變化的軌跡以及多場(chǎng)耦合效應(yīng)進(jìn)行全面分析，找出功率器件實(shí)際使用壽命低于預(yù)期使用壽命的真正原因，為提升封裝工藝以及器件的可靠性提供幫助。

4.1 大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)流程在前面分析過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘的概念，即利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)發(fā)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的特征，通過(guò)建立模型來(lái)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的關(guān)系，從而為企業(yè)發(fā)展提供參考。大數(shù)據(jù)挖掘的流程分為以下幾個(gè)階段：數(shù)據(jù)源 — —數(shù)據(jù)抽取 — —數(shù)據(jù)匯集與清洗 — —數(shù)據(jù)加工 — —數(shù)據(jù)分析 — —可視化，如圖1所示。

4.2 利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建財(cái)務(wù)分析框架圖利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以構(gòu)建財(cái)務(wù)分析框架。構(gòu)建思路如下：首先確定數(shù)據(jù)源。該數(shù)據(jù)源不僅僅指?jìng)鹘y(tǒng)財(cái)務(wù)分析中的報(bào)表財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，還有很多非財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)。其次是數(shù)據(jù)抽取和數(shù)據(jù)匯集與清洗，從而得到目標(biāo)數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)源中抽取出對(duì)企業(yè)有用的信息，或者企業(yè)需要分析的某一方面的數(shù)據(jù)。

例如，企業(yè)想通過(guò)分析員工的出差天數(shù)，或者差旅費(fèi)來(lái)對(duì)公司成本進(jìn)行控制，那么就需要從數(shù)據(jù)源中抽取相關(guān)數(shù)據(jù)。抽取這些數(shù)據(jù)之后，需對(duì)其進(jìn)行去重，清洗，截取字段等工作，去除無(wú)用信息，保留有用數(shù)據(jù)。再次是數(shù)據(jù)挖掘。該步驟包括了數(shù)據(jù)加工和數(shù)據(jù)分析。

在該過(guò)程中，需要企業(yè)利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)中的語(yǔ)言和符號(hào)，利用規(guī)定的算法，模型等來(lái)對(duì)前一步驟篩選出的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部存在的關(guān)系，從而為企業(yè)的商機(jī)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)防控做鋪墊。最后是數(shù)據(jù)可視化。

該步驟可以通過(guò)形象直觀的內(nèi)容來(lái)表現(xiàn)出財(cái)務(wù)分析結(jié)果的內(nèi)容，從可視化圖形中可以直觀觀察財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)和各種指標(biāo)走勢(shì)，使得大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的結(jié)果更加形象生動(dòng)，并且容易被管理層所理解。根據(jù)以上分析，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建財(cái)務(wù)分析框架圖。

5 結(jié)語(yǔ)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代是萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，也是海量數(shù)據(jù)和信息的時(shí)代，將大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)深入應(yīng)用到企業(yè)財(cái)務(wù)分析領(lǐng)域還值得更深層次的研究。

當(dāng)然，要把大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于財(cái)務(wù)分析，還需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

一是財(cái)務(wù)人員的技術(shù)問(wèn)題。企業(yè)所雇傭的財(cái)務(wù)人員是否能夠熟練運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)并進(jìn)行財(cái)務(wù)工作的開(kāi)展。

二是企業(yè)是大數(shù)據(jù)平臺(tái)問(wèn)題。自己搭建大數(shù)據(jù)平臺(tái)耗時(shí)耗力，而企業(yè)通過(guò)第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)購(gòu)買一些大數(shù)據(jù)平臺(tái)又可能無(wú)法滿足自己所有的工作需求。

三是完全依賴網(wǎng)絡(luò)處理財(cái)務(wù)問(wèn)題。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)不可避免存在漏洞，也會(huì)有很多黑客技術(shù)盜竊數(shù)據(jù)信息，企業(yè)如果一味依賴大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理財(cái)務(wù)問(wèn)題，企業(yè)財(cái)務(wù)乃至整體都會(huì)遇到更加嚴(yán)重的安全問(wèn)題 ［4］ 。因此，企業(yè)需要從各個(gè)方面合理、安全的利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，讓其為自身所用，而非被其所困。

來(lái)源：輕工科技 2021年第37卷第7期

作者：陳逸晞

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